基于現場試驗的超大雙曲面穹頂洞庫支護體系研究

馬凱蒙，張俊儒，*，劉雨萌，戴 軼，王圣濤

(1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

隨著世界地下工程建設規模的不斷擴大，根據不同的圍巖條件、工藝水平，結合大量的施工經驗，形成了各具特色的地下工程支護體系。目前，應用較廣泛的有新奧法(NAMT)與挪威法(NMT)。在硬巖中，挪威法的單層襯砌相較于新奧法的復合式襯砌,具有施工效率高、施工成本低、施工更加環保等特點[1-2]。

應用挪威法的單層襯砌支護技術主要由正確的圍巖評價、合理的支護參數和高性能的支護材料3部分組成[3]。其中，正確的圍巖評價主要是采用Q系統對圍巖進行分級，合理的支護參數是通過對已建地下工程的觀測和量測記錄所求出的Q值而得到的經驗表格，高性能支護材料包括高質量的濕噴纖維混凝土和耐腐蝕錨桿等[4]。在國外，對于單層襯砌，挪威、瑞典、日本、美國、加拿大、芬蘭、比利時以及西班牙等國家都有應用，比較出名的有挪威Gjolasvik地下奧林匹克運動場、瑞典的斯德哥爾默地鐵、瑞士的費爾艾那隧道、德國的慕尼黑地鐵、美國肯塔基州的一座直徑10.4 m的泄洪隧洞等[5]。在國內，單層襯砌的應用案例相對較少，主要工程包括青島地鐵西鎮站[6]，汕頭液化石油氣儲庫工程[7]，以及一些電力、水工隧洞及鐵路隧道的部分區域[8-10]。隨著我國交通網絡的發展，近些年隧道及地下工程多在中西部等圍巖條件較差的地區修建，且斷面形式越來越大。為安全起見，復合式襯砌應用較為廣泛，而單層襯砌支護的大型工程較少[11-13]。但已有研究表明，復合式襯砌結構比單層襯砌結構在材料用量方面多4倍，施工時間多2倍，勞動力多10倍[14]。針對圍巖條件較好的情況，采用參數合理的單層襯砌對地下工程進行支護，可有效地控制混凝土與機械所產生的碳排放，實現綠色環保施工。

當圍巖條件稍差或洞室形狀較大時，預應力錨桿的應用可以更加充分地發揮圍巖的自承能力，已有較多學者進行了研究。例如：吳大偉等[15]提出在大斷面巷道中應用中空預應力注漿錨桿代替傳統的砂漿錨桿，能夠達到更好的支護效果；王洪濤等[16]揭示了全長預應力錨注支護機制并提出新型高強錨注支護技術，且通過現場應用驗證了其優越性與有效性；汪波等[17]以滇中引水工程為依托，針對不同的圍巖條件，給出了不同的錨固形式，提出了及時主動支護理念。目前，針對低預應力錨桿技術已有較多研究，且形成一定體系，但多應用于復合式襯砌，低預應力錨桿尚未出現在以挪威法理念為基礎的單層襯砌地下工程中。

某大型地下儲油庫，由雙曲面穹頂+圓柱罐體組成，高22 m，直徑為24 m，處于微風化花崗巖中，原設計為復合式襯砌，模筑襯砌的穹頂與罐體中間由圈梁銜接，罐體結構巨大，模筑混凝土施工困難，且模板工程具有較高風險。本文應用基于Q系統的單層襯砌支護理念與主動支護技術相結合的方法對地下儲油庫進行優化設計，提出聚丙烯纖維噴射混凝土+低預應力錨桿的支護體系。首先，通過地質勘察得到Q值，通過巖石支護參數參考表得到挪威法推薦的支護參數，考慮現場圍巖情況及洞室跨度，優化支護參數并應用大型有限差分計算軟件進行對比分析，將最優支護應用于現場進行原位試驗，通過受力、變形監測來驗證支護體系的適用性，形成適用于硬巖的大型地下洞室支護技術。減少混凝土用量的同時保證工程質量，并減少碳排放，實現綠色健康可持續發展。

1 工程概況與Q系統的應用

1.1 工程概況

某地下儲油庫由上下通道和4個罐體組成，上通道長283 m，下通道長298 m，通道由洞口延伸至山體內部依次穿過Ⅴ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅲ級圍巖，4個罐體全部位于Ⅲ級圍巖中。洞群布置示意如圖1所示。

罐體處圍巖主要為燕山晚期侵入的微風化花崗巖，堅硬巖，巖體較完整，裂隙較發育，呈塊狀結構，埋深約60 m。其中：罐體為穹頂直墻結構，開挖直徑為24.7 m，高22.45 m，設計為復合式襯砌結構，初期支護采用C25噴射混凝土，厚25 cm，二次襯砌采用C30模筑混凝土，厚50 cm；錨桿采用φ25 mm砂漿錨桿，間距為1 m×1 m(環向×縱向)，穹頂處長5 m，罐體處長4 m，直徑為25 mm、材質為HBR400螺紋鋼，屈服極限為400 MPa，抗拉強度為570 MPa。罐體原設計支護參數如圖2所示，采用鉆爆法開挖的方式。

1.2 地質復勘與參數的確定

現場鉆芯取樣如圖3所示。弱風化花崗巖(K2M)：青灰色，以短柱狀為主，巖石質量指標RQD為47%～68%，巖芯采取率TCR為91%～96%，巖體屬于較破碎—較完整，巖石堅硬程度為堅硬巖，細粒花崗結構，塊狀構造，局部碎塊狀構造，節理裂隙較發育，主要礦物為長石、石英等，原巖結構局部破壞，節理裂隙面見有鐵錳質渲染。微風化花崗巖(K2M)：青灰色，以長柱狀為主，巖石質量指標RQD為78%～94%，巖芯采取率TCR為95%～99%，巖體屬于較完整—完整，巖石堅硬程度為堅硬巖，細粒花崗結構，塊狀構造，節理裂隙發育一般，主要礦物為長石、石英等，原巖結構局部破壞，節理裂隙面見有鐵錳質渲染。Q系統參數建議值如表1所示。鉆孔RQD計算值如表2所示。

表1 Q系統參數建議值

表2 鉆孔RQD計算值

1.3 基于Q系統的支護體系表

根據文獻[18]，Q法計算如式(1)所示。

(1)

將罐室的參數(見表1及表2)代入式(1)，得到Q=6.8。

根據文獻[18]，等效尺寸計算如式(2)所示。

(2)

罐室高度約22 m，跨度約24 m，取最不利情況24 m進行計算，得等效尺寸為24 m。應用Q值6.8與等效尺寸24 m，根據Q系統支護表可確定永久單層襯砌支護參數如圖4所示。

根據圖4中●的位置可以判斷該洞庫巖體質量評價級別為一般，適用于④類支護參數，即采用厚度為6～9 cm纖維增強噴射混凝土并施作錨桿支護，選取錨桿間距為2.5 m，錨桿長度為5 m。

支護分類：①—無支護或局部錨桿支護；②—局部錨桿支護；③—系統錨桿支護，纖維增強噴射混凝土，5～6 cm；④—纖維增強噴射混凝土和錨桿支護，6～9 cm；⑤—纖維增強噴射混凝土和錨桿支護，9～12 cm；⑥—纖維增強噴射混凝土和錨桿支護，12～15 cm+噴射混凝土加筋肋和錨桿支護+RRSI；⑦—纖維增強噴射混凝土>15 cm+噴射混凝土加筋肋和錨桿支護+RRSⅡ；⑧—模筑混凝土襯砌 RRSⅢ；⑨—專項評估。

2 支護體系的優化

2.1 優化思路

基于Q系統的巖石支護圖中支護參數來自被檢驗過的案例，所統計的案例多來自隧道等縱向延長結構。洞庫作為幾何對稱結構，斷面較大，穹頂的高跨比較小，整個穹頂結構呈扁平狀，結構受力較為不利，采用6～9 cm厚的襯砌可能會產生較大的偏心距，影響結構安全。本節決定對由巖石支護所得的支護參數建議值進行加強，并考慮在穹頂施加一定的低預應力錨桿，以提升結構整體的安全性。

擬將優化后的支護參數調整為添加纖維的C30噴射混凝土，厚度為25 cm(原洞庫初期支護厚度)；擬采用單層襯砌，錨桿的設計需重點加強，參考Q系統的支護參數表及《鐵路隧道設計規范》，選取二者支護參數高的標準進行優化，Q系統得到的是5 m系統錨桿、間距為2.5 m×2.5 m，而《鐵路隧道設計規范》對Ⅲ級圍巖錨桿的要求是長度為2～2.5 m、間距為1.2～1.5 m，決定選取Q系統的錨桿長度與《鐵路隧道設計規范》中的錨桿間距，同時考慮24 m的穹頂跨度，對穹頂錨桿進行預應力補強。具體如下：罐體采用φ25 mm中空注漿錨桿，長度為4 m，間距為1.5 m×1.5 m，梅花形布置；穹頂采用φ25 mm漲殼式中空預應力錨桿，長度為5 m，間距為1.5 m×1.5 m，梅花形布置，預應力為50 kN，直徑為25 mm、HBR400螺紋鋼，屈服極限為400 MPa，抗拉強度為570 MPa，表面進行防銹處理，預應力由漲殼與墊片固定后張拉達到。針對中等質量的巖體(0.1

下文將采用數值計算的方式對3種支護結構進行檢算，分析其支護效果。計算工況如表3所示。

表3 計算工況表

2.2 計算模型

本計算采用有限差分軟件，模型尺寸為150 m×150 m×150 m，洞庫埋深為60 m。圍巖采用基于Mohr-Coulomb強度準則的彈塑性本構模型，支護結構采用實體單元，彈性本構模型，單層噴射混凝土襯砌與圍巖之間不設置防水板，混凝土與圍巖密貼，此處不設置接觸面，認為支護結構與圍巖共同變形。預應力與砂漿錨桿均采用Cable結構單元模擬，其區別通過有、無施加50 kN預應力體現。由于圍巖條件較好，洞庫均選址在微風化、弱風化花崗巖處，節理、裂隙較少，對錨桿的注漿僅考慮黏結作用，作為錨桿與圍巖共同變形的介質，不考慮注漿對圍巖的補強作用，亦作為計算的安全儲備。計算模型如圖5所示。圍巖與支護參數如表4所示，其中圍巖參數由復勘得出。聚丙烯纖維的增加主要是為了增強混凝土的早期抗裂能力，計算仍采用C30計算參數，以最大不平衡力與初始不平衡力之比R<1×10-5作為收斂準則，采取先穹頂后罐體的開挖方式。

圖5 計算模型圖(單位：m)

表4 計算參數表

2.3 計算結果分析

數值計算結果豎向變形云圖見圖6。最大主應力云圖見圖7。洞庫變形規律如圖8所示。洞庫結構主應力變化規律如圖9所示。計算結果分析如下。

(a)工況1

(a)工況1支護

圖8 洞庫變形規律圖

(a)支護結構受力

1)變形情況。由于圍巖條件較好，3種工況下的圍巖變形量均不大，穹頂沉降為8.19 mm，水平收斂為2.16 mm，底板隆起約9 mm，罐體不設置底板結構，此處不對底板隆起進行對比分析。原設計即工況1襯砌厚度最大，抵御變形的能力較強，當采用基于Q系統的支護參數時，穹頂沉降增加4.4%，水平收斂增加3.7%；當采用優化設計方案時，穹頂沉降較原設計減少2%，水平收斂較原設計增加1%。

2)支護結構受力情況。由圖7可知，在穹頂與罐體連接處會出現最大拉應力，此處為整個罐體結構受力最不利處。工況1最大拉應力僅為0.6 MPa，遠小于C30混凝土的抗拉強度。在取消模筑襯砌之后，使得襯砌結構內側具有較高的拉應力，基于Q系統的襯砌最大拉應力達到了1.96 MPa，接近C30混凝土抗拉極限2.2 MPa；優化后的襯砌最大拉應力降至1.42 MPa，且最大拉應力區域較小。3種工況下最大壓應力為4～6 MPa，均遠小于極限抗壓強度。

3)圍巖拉應力情況。圍巖應力是評判洞周圍巖穩定性的重要指標，工況2較工況1圍巖最大拉應力增加27.5%，而采用優化后的支護參數時，最大拉應力較原設計減小了77.6%。

4)低預應力錨桿支護效果。優化后的工況3中預應力錨桿內力與塑性區關系如圖10所示。

圖10 錨桿內力與塑性區關系圖

5 m的預應力錨桿除拱腰處均穿越了圍巖塑性區，另外由于錨桿施加了預應力，在錨桿錨固端會增加圍巖拉應力，導致塑性區的擴展，如頂部3根錨桿所示。總體可以看出，預應力錨桿錨固端處在穩定圍巖處，可起到錨固作用，錨桿整體呈受拉狀態，最大拉應力位于錨桿中段，最大值為95.2 MPa，起到主動加固圍巖的效果。根據上述計算分析、工程量大小及施工經濟性綜合分析如下：

1)復合式襯砌具有結構穩定、防水性能好、具有安全儲備等優點，但同時存在混凝土消耗量大、高大模板施工困難等缺點。

2)基于Q系統支護參數表的單層襯砌支護具有施作簡單、混凝土用量小等優點；由于洞庫跨度較大，在局部接近混凝土抗拉極限，且對圍巖受拉控制較為不利，同時對混凝土自防水要求較高。

3)噴射混凝土襯砌+預應力錨桿具有施工便利、混凝土用量小、支護效果好等優點，但對施工工藝要求較高，對材料的耐久性與混凝土的自防水要求較高。

綜合圍巖穩定性、變形與支護結構受力情況等多方面因素，同時考慮洞庫體積巨大、模筑混凝土施工困難的實際問題，本項目決定采用工況3即聚丙烯纖維C30噴射混凝土+預應力錨桿來對洞庫進行支護施工，在保證支護結構安全的前提下，減少混凝土用量，簡化施工步驟。

3 現場試驗分析

通過對地下洞庫支護體系優化研究，決定對2號罐室進行現場試驗，應用優化后的聚丙烯纖維C30噴射混凝土+預應力錨桿對洞庫進行支護，并監測位移及內力對支護體系進行評價。

3.1 現場支護施作情況

采用先穹頂再罐體的施工方式對洞庫進行開挖支護，具體步驟為穹頂先形成橫通道，而后向兩側擴挖，再罐體分層開挖，與數值模擬一致。施工步驟示意如圖11所示。首先，由上通道進入后進行一步開挖，繼而兩側對稱開挖至整個穹頂，對稱開挖時先下后上，分步開挖時對開挖完成的穹頂部分打設錨桿并噴射5 cm厚混凝土，待整個穹頂施作完成后再對穹頂進行2層(每層10 cm)鋼筋網+C30聚丙烯纖維噴射混凝土施作。罐體采用分層開挖的方式，每層開挖后對罐體部分進行永久支護施作。中空錨桿注漿采用螺桿泵注漿機低壓注漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。漿液采用水灰質量比為0.38∶1的單液水泥漿，漿液拌合方式為先加水再加水泥，保證漿液拌合均勻。注漿時勻速注入，直至排氣管漿液均勻流出時，則注漿飽滿，并且在錨桿端頭采用速凝型防水堵漏材料封堵，防止接頭處漏水。洞庫防排水采用排水板與抗滲混凝土相結合的方式。現場施工照片如圖12所示。添加聚丙烯纖維的噴射混凝土無開裂情況，平整度較高。

彩色透明部分為施作的支護結構；藍色實體為巖體結構。

(a)穹頂施工 (b)罐體施工 (c)整體效果1 (d)整體效果2

3.2 變形及受力分析

通過數值計算分析發現洞庫結構穹頂部分為受力不利位置，穹頂的安全穩定對整個支護結構起決定性作用。現場在施作單層襯砌支護結構后，對穹頂結構進行了變形與應力監測，其中，監測項目包括穹頂豎向變形、圍巖壓力與混凝土應力。穹頂監測點布置如圖13所示。其中，壓力盒型號為XJ-TX，量程為1 MPa；混凝土應變計型號為XJ-YX，量程為-1 200(壓)～800(拉)με，以檢測單層襯砌結構對圍巖的控制與其自身的安全性。整個穹頂開挖完成后再統一進行掛網噴混凝土，因此圍巖壓力與襯砌應力滯后開挖，而變形數據時挖時測。實測豎向沉降如圖14所示。實測圍巖壓力如圖15所示。由實測混凝土應變值換算而來的混凝土應力結果如圖16所示。其中，混凝土應變計布置點位與壓力盒相同。

1)w1—w9為位移監測點位編號；2)y為圍巖壓力與混凝土應力布置點，每個y點包括圍巖壓力、徑向混凝土應變、環向混凝土應變，環向方向如圖中紅線所示，徑向方向如藍線所示；3)y點布置在穹頂位置共3環，其中y1-1是中心位置，y2-1—y2-4是第2環的4個點位，y3-1—y3-4是第3環的4個點位。下同。

圖14 實測豎向沉降

圖15 實測圍巖壓力

(a)穹頂徑向混凝土應力

穹頂結構位移較小，最大位移為9 mm，出現在③位置，總體上由穹頂延伸至墻腳處呈現出位移越來越小的趨勢，與圖6數值計算結果較為一致。壓力盒是在穹頂全部開挖完成之后與襯砌共同施作，此時穹頂已產生一定的位移，已釋放一定的應力，所測圍巖壓力值均較小，監測點圍巖壓力為-5～-22 kPa，整體上內圈圍巖壓力大于外圈。混凝土應力以受壓應力為主，局部點位呈現拉應力，穩定后最大拉應力為1.7 MPa，最大壓應力為-6.57 MPa。徑向應力受壓程度大于環向應力，環向應力受拉程度大于徑向應力，雙曲面穹頂結構主要由徑向受力承載，環向主要分擔局部變形產生的彎矩。

綜上可知，結構變形、圍巖壓力與結構內力3方面與計算結果基本一致，優化后的單層襯砌可應用于依托工程，滿足結構安全需要。

3.3 低預應力錨桿支護效果分析

穹頂預應力錨桿采用漲殼錨桿，配合單臂液壓鉆孔臺車進行錨桿施工，張拉預應力為50 kN。預應力錨桿施工如圖17所示。錨桿軸力測試如圖18所示。

(a)錨桿軸力變化曲線

由圖18可以看出：錨桿主要呈受拉狀態，中段拉應力較大，錨桿受力與2.3節中數值模擬結果有相似的變化規律，可見現場施作低預應力錨桿可起到主動加固圍巖的效果。

4 結論與討論

1)在圍巖條件較好的巖體中開挖大型地下洞室，單層噴混凝土襯砌具有厚度小、操作簡便等優點，在支護參數選擇合理、施工質量得以保證的前提下，使用單層噴射混凝土襯砌可提高施工效率，減少混凝土用量，在保證結構安全的同時減少碳排放，實現地下工程的綠色健康與可持續發展。

2)采用聚丙烯纖維C30噴射混凝土+預應力錨桿的優化支護體系相較于基于Q系統的支護參數可更好地控制圍巖變形，減少襯砌拉應力區，達到與采用復合式襯砌結構相近的支護效果。

3)由現場試驗可知，采用優化后的支護體系在變形應力方面均可達到預期效果，襯砌變形約8 mm，最大拉壓應力均小于C30混凝土的拉壓極限并有一定的安全余量，預應力錨桿主要受拉應力表明其能起到主動加固圍巖的效果。

4)單層襯砌除結構安全外，噴射混凝土的早期強度、抗裂性能、平整度、防水等仍需要進一步研究。后續研究應重點關注噴射混凝土的密實度與自防水性能，進而推廣單層襯砌在大型地下工程中的應用。